研究人员揭开提高燃料动力锂电池效率的催化剂的秘密 比传统催化剂性能高4倍

燃料电池作为一种环保能源受到关注，它通过水电解的逆反应同时获得电能和热量。因此，提高反应效率的催化剂与燃料电池的性能直接相关。为此，POSTECH-UNIST联合研究团队通过首次发现原子级的解溶液和相变现象，向开发高性能催化剂迈进了一步。

POSTECH化学工程系的候选人KyeounghakKim和UNIST的GuntaeKim教授发现了PBMO（一种用于燃料电池的催化剂），从钙钛矿结构转变为具有纳米颗粒ex-solution1到表面的层状结构的机理，并证实了其机理，电位作为电极和化学催化剂。这些研究结果最近作为能源领域的国际期刊《能源与环境科学》的封底发表。

取决于还原环境的材料相转变，溶液前颗粒形成以及催化活性变化过程的示意图。

通过使用密度泛函理论计算和原位X射线衍射光谱实验对Co掺杂的Pr0.5Ba0.5MnO3−δ（PBMCO）进行了研究，以了解如何发生从PBMCO到层状PBMCO的相变。还阐明了Co掺杂剂在相变和解溶液中的作用。事实证明，在Pr层上氧空位的选择性形成在向层状钙钛矿的相变中起关键作用。溶解的Co纳米颗粒显示出比掺杂的Co纳米颗粒更高的催化活性。这些结果可以指导高活性钙钛矿基氧化还原催化剂的设计。

催化剂是增强化学反应的物质。PBMO（Pr0.5Ba0.5MnO3-δ）是燃料电池的催化剂之一，是一种即使直接用作烃而不是氢也能稳定运行的材料。特别是，在失去氧的还原环境下，由于变为层状结构，因此显示出高的离子传导性。同时，也能发生析出现象，其中金属氧化物内部的元素偏析到表面。

在还原环境下，无需任何特殊过程即可自动发生此现象。当材料内部的元素上升到表面时，燃料电池的稳定性和性能会大大提高。但是，由于形成这些高性能催化剂的过程是未知的，因此难以设计材料。

着眼于这些功能，研究团队确认该过程经历了相变，颗粒脱附和催化剂形成的过程。使用基于量子力学的第一性原理计算和可观察材料中实时晶体结构变化的原位XRD2实验证明了这一点。研究人员还证实，用这种方法开发的氧化催化剂显示出比传统催化剂高出四倍的性能，这证明该研究适用于各种化学催化剂。

我们能够准确理解以前实验中难以确认的原子单位材料，并成功地证明了这一点，从而克服了现有研究的局限性，并且成功地展示了它们，主持这项研究的郑雨汉教授解释说，由于这些载体材料和纳米催化剂可用于减少废气、传感器、燃料电池、化学催化剂等，因此，未来有望在许多领域进行积极的研究。